Продвинутые диодные технологии: варикапы, PIN, IMPATT, Ганн и другие

Варикап или варикторные диоды

Варикапные диоды, также называемые варикторами, — обратным смещением p-n переходы, ширина области обеднения — и следовательно ёмкость — которых меняется с приложенным напряжением. Эффект особенно ярок в варикапах, позволяя точное настройку резонансных контуров. На схеме ниже показан двухдиодный корпус с общим катодом.

В резонансной сети ёмкость варикапа меняет частоту контура в ответ на управляющее напряжение (V_control). Последовательный конденсатор с большой величиной удерживает управляющее напряжение от замыкания индуктивности, сохраняя резонансную частоту, но позволяя тонкую настройку. Подробнее о варикапной настройке в AM радиоприёмниках см. главу «Электронная варикапная настройка».

Варикапы бывают нескольких типов — резкий, гиперрезкий, сверх-гиперрезкий — каждый даёт прогрессивно большее колебание ёмкости. Типичные соотношения 4:1 для резких, 10:1 для гиперрезких, 20:1 для сверх-гиперрезких. Эти широкие диапазоны делают их идеальными для генераторов и фильтров, сканирующих большие частотные диапазоны. Варикапы также находят применение в схемах умножения частоты; см. «Практические аналоговые полупроводниковые схемы» для детального примера.

Снэп-диод (ступенчато-восстанавливающийся диод)

Снэп-диод, или ступенчато-восстанавливающийся диод, превосходен в высокомнономерном умножении частоты до 20 ГГц. При прямом смещении заряд накапливается в p-n переходе. При обратном смещении накопленный заряд высвобождается, заставляя диод вести себя как низкоомный источник тока до исчерпания заряда. В этот момент он резко «щёлкает» в высокоомное состояние, генерируя острый напряжённый импульс, богатый гармониками. Это делает снэп-диоды идеальными для гребенчатых генераторов и умеренно-мощных 2× или 4× умножителей.

PIN диоды

PIN диоды — быстрые, низкоёмкостные коммутационные приборы. Они отличаются от PIN фотодиодов тем, что спроектированы для высокомощного RF переключения. Внутренняя область между p и n слоями создаёт широкую зону обеднения, дающую меньшую обратную ёмкость по сравнению с обычными коммутационными диодами.

Типичные применения: T/R переключатели в радарах и антенные коммутаторы для пеленгаторов. Некоторые универсальные силовые диоды, такие как 1N4007, могут функционировать как PIN коммутационные диоды благодаря своему собственному слою. PIN диоды также работают как напряжённо-управляемые резисторы в регулируемых затухателях, расширяя плоскую АЧХ в микроволновой полосе.

IMPATT диод

IMPATT (Impact Avalanche Transit-Time) диод — высокомощный RF генератор от 3 ГГц до 100 ГГц. Изготавливается из кремния, арсенида галлия или карбида кремния. Обратным смещением выше пробойного напряжения, тонкая область обеднения ускоряет носителей, запуская лавину, дающую эффект отрицательного сопротивления. При связи с резонансной схемой это отрицательное сопротивление возбуждает генерации на высоких уровнях мощности.

В практических дизайнах bias-tee обеспечивает DC обратное смещение, изолируя RF сигналы. Низкоэнергетические радарные передатчики иногда используют IMPATT диоды, но их высокий шум делает их неподходящими для входных каскадов приёмников.

Диод Ганна

Диод Ганна состоит исключительно из n-тип полупроводника, обычно арсенида галлия. При достаточном напряжении электроны переходят из низкоэнергетической зоны проводимости в более высокоэнергетическую, создавая отрицательное дифференциальное сопротивление, поддерживающее генерации. Частота генераций зависит от времени транзита электронов через слабо легированный n-слой, обратно пропорционально его толщине.

Диоды Ганна доступны для работы от 10 ГГц до 200 ГГц, выдавая 5–65 мВт мощности. При интеграции в резонансную схему они могут также функционировать как компактные усилители.

Шоклиевский диод

Шоклиевский диод — четырёхслойный тиристор, запускающий более крупные тиристоры, когда приложенное напряжение превышает его пробойное (≈20 В). Проводит только в одном направлении. Двунаправленный аналог — DIAC.

Диоды постоянного тока

Диод постоянного тока (также токоограничивающий или токостабилизирующий диод) ведёт себя как двухвыводной JFET. Он поддерживает фиксированный максимальный ток независимо от вариаций напряжения. Если напряжение питания растёт, диод повышает своё падение напряжения, удерживая ток в точке регулирования.

Эти приборы часто используют для защиты светодиодов и лазерных диодов от токовых скачков в широком диапазоне напряжений питания. Правильный выбор точки регулирования критичен, особенно для лазерных диодов, менее терпимых к вариациям прямого тока.

SiC диоды

Кремнисто-углеродные (SiC) диоды работают при температурах до 400 °C, делая их подходящими для суровых сред: скважинное логирование нефти, газовые турбинные двигатели, автомобильные трансмиссии. Радиационная стойкость SiC — в 100 раз выше кремния — привлекательна для ядерных и космических применений. Кроме того, превосходная теплопроводность SiC позволяет эффективный теплоотвод, а высокое пробойное напряжение (несколько кВ) даёт компактные высокомощные дизайны. Прогнозы индустрии предполагают, что SiC силовые приборы могут сократить потери электроэнергии в сетях до 100%.

Полимерные диоды

Органические полимерные диоды, фабрикуемые при низких температурах, позволяют струйно-печатные электронные компоненты. Хотя большинство исследований фокусируется на органических светодиодах (OLED), прогресс идёт в печатных RFID тегах и высокочастотных выпрямителях. Пентаценовый выпрямитель достиг работы на 50 МГц, цель — 800 МГц. Недавние разработки включают металл-изолятор-металл (MIM) диод, работающий как навстречу зенеровский клиппер, и туннельный-диодоподобный прибор, оба перспективны для гибкой, дешёвой электроники.